Введение
Одной из глобальных проблем XXI века является стремительный рост численности населения, и как следствие, вместе с ней возникает острая проблема нехватки продуктов питания. Главным путем решения данной проблемы является увеличение производства продовольствия, которое может быть достигнуто за счёт улучшения условий и системы выращивания сельскохозяйственной продукции. Если сказать точнее, то смысл продовольственной проблемы заключается в том, что места производства продовольствия далеко не совпадают с местами его потребления. Поэтому необходимо, чтобы в достаточном количестве сельскохозяйственная продукции выращивалась даже там, где этого не позволяют климатические условия, например, слишком жаркое и сухое лето, или суровая и продолжительная зима. В наше время цифровые технологии используются во многих сферах деятельности человека, и сельское хозяйство - не исключение. Одними из инновационных разработок сельском хозяйстве, а именно в растениеводстве, являются умные теплицы, оснащенные различными датчиками. Умные теплицы системы IоТ позволяют круглый год выращивать фрукты, овощи, ягоды даже в северных широтах, а затем поставлять их на рынки в различные страны мира. Внешний вид умных теплиц ничем не отличаются от обычных, отличие заключается только в их внутреннем устройстве [4]. Умные теплицы оснащены датчиками для наблюдения за влажностью почвы, измерения освещения, температуры, уровня CO2 и других параметров, необходимых для оптимального роста и развития растений.
Методология
Для правильного роста сельскохозяйственных культур и получения от них хорошего урожая, необходимо обеспечить им регулярный полив, подходящую освещенность, приемлемую температуру как воздуха, так и почвы. Не менее важным является систематическое проветривание [8]. Так как учесть все эти параметры вручную довольно сложно, автоматизация теплицы даёт возможность уменьшить участие человека в сельскохозяйственном производстве. Умная теплица состоит из совокупности датчиков и исполнительных устройств, которые соединены с контроллером (рис. 1). Рисунок 1 – Общая схема устройства умной теплицы Управлять умной теплицей можно удалённо, потому что приборы самостоятельно регистрируют заданные показатели и, в соответствии с ними, обеспечивают автоматический полив, вентиляцию и освещение в теплице.
Результаты
Контроллер является главным элементом умной теплицы. Он обрабатывает информацию со всех устройств и даёт команды исполнительным механизмам. Важный компонент контроллера – это процессор, который оснащён микросхемой памяти. Умные теплицы по большей части выпускают с программной системой Arudino. Для простейших схем используется плата Arudino Uno, для более широкого варианта управления микроклиматом теплицы используется плата Arudino Mega. Данное программное обеспечение для дистанционного контроля можно установить как на компьютеры, так и на мобильные телефоны [7]. Датчики освещенности внутри умной теплицы могут быть различных типов. Фоторезисторы (LDR, Light Depender Rresistor) являются самыми простыми и доступными. В зависимости от уровня действия света на светочувствительную поверхность, они меняют своё сопротивление. Фотодиоды отличаются более высокой чувствительностью к свету. Их основная функция - преобразование световой энергии в электрический сигнал. Они могут быть использованы для измерения интенсивности освещения. Фототранзисторы также преобразуют световую энергию в электрический ток, при попадании света, его ток увеличивается. Они обладают высокой чувствительностью и широким диапазоном измерения освещенности. Основное отличие фототранзисторов от фотодиодов заключается в том, что фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его.
Результаты
Для контроля и регулировки климата внутри теплицы используются различные датчики температуры. Они постоянно измеряют температуру внутри теплицы, чтобы поддерживать и контролировать оптимальные условия для роста сельскохозяйственных культур. Датчик температуры воды помогает определить оптимальную температуру для полива растений. Датчики для измерения температуры растений могут быть различных типов. Земляные термометры размещаются в почве, рядом с корневой системой, и показывают температуру почвы около определенного растения. Листовые термометры прикрепляются к листьям растений и измеряют температуру самого растения в различных его частях. Наблюдать за состоянием листа, в частности за его температурой значительно важно, так как лист является основным органом растения, осуществляющим процесс фотосинтеза, дыхания и транспирации. Воздушные термометры могут быть размещены на определенной высоте или прямо на уровне растения и служат для измерения температуры воздуха вокруг растения. Инфракрасные термометры измеряют температуру растения с помощью инфракрасного излучения с какого-либо расстояния. Датчик влажности воздуха определяет насколько воздух насыщен водяными парами. Обычно он оснащен электронным сенсором, который измеряет влажность воздуха в процентах относительной влажности. Имея данные о влажности воздуха, полученные благодаря этому датчику, возможно её автоматическое регулирование. При низкой влажности воздуха – включение автоматической системы орошения, а при высокой влажности – включение вентиляторов или открытие окон для обеспечения циркуляции воздуха [4].
Обсуждение
В состав датчика влажности почвы входят два электрода, которые погружаются в почву приблизительно на 10-20 сантиметров, чтобы измерить влажность почвы (рис. 2). В таком случае, умная теплица сможет использовать полученные данные о состоянии почвы для автоматического полива растений. Если влажность почвы опускается ниже определённого порога, система умной теплицы автоматически включает систему полива. Также, датчик может собирать данные о состоянии почвы на протяжении определенного времени, позволяя владельцу теплицы определить наиболее подходящую влажность почвы для выращивания той или иной сельскохозяйственной культуры. Рисунок 2 – Датчик влажности почвы Датчик мониторинга CO2 служит для непрерывного мониторинга уровня CO2 внутри теплицы и предупреждении владельца о превышении допустимых значений. Отправляя предупреждение на мобильный телефон или компьютер, владелец может быстро его увидеть и принять меры для поддержания оптимального уровня СO2.
Обсуждение
На других датчиках уровень концентрации CO2 отображается тремя цветами. Если мигает зелёный светодиод - концентрация составляет от 0 до 1000 ppm; жёлтый светодиод - концентрация от 1001 до 1400 ppm; красный светодиод - концентрация от 1401 и более. Наблюдение за уровнем содержания CO2 внутри теплицы чрезвычайно важно для выращивания сельскохозяйственных культур. С одной стороны, высокое содержание CO2 позволяет растениям наиболее интенсивно осуществлять процесс фотосинтеза, что приводит к увеличению их роста и урожайности. С другой стороны, при повышенной концентрации СО2 свыше 1200 ppm, у растений наблюдается снижение устойчивости к различным болезням и вредителям, более медленный рост, ухудшение посевных свойств, нарушение баланса между ростом надземной и подземной массы. Кроме того, избыточное количество углекислого газа может привести к увеличению кислотности почвы, что приведет к снижению ее плодородия и способности удерживать влагу [10]. При минусовых температурах воздуха выращивание урожая возможно только при условии, что в теплице есть отопление. Необходимо, чтобы нагревался не только воздух, но еще и почва, так как сильный перепад температуры воздуха и почвы может привести к развитию грибковых заболеваний и даже к гибели растений [2]. Для подогрева почвы существует специальная конструкция, которая состоит из нескольких слоев (рис. 3). Рисунок 2 – Конструкция для подогрева почвы
Выводы
Система вентиляции служит для поступления внутрь теплицы свежего воздуха, который растения используют в процессе дыхания, а также для удаления лишнего углекислого газа, который образуется в процессе фотосинтеза. Помимо этого, вентиляция препятствует перегреву растений, а это особенно актуально с конца весны и до середины лета, когда солнечное излучение наиболее интенсивно. Система вентиляции помогает контролировать влажность внутри теплицы, а для роста растений это важно, так как избыточно влажный воздух может привести к возникновению грибковых болезней растений. Не менее важной составляющей является web-камера, которая служит для наблюдения за внутренним состоянием теплицы. Это позволяет владельцу теплицы наблюдать за процессом роста растений, уровнем освещения, состоянием влажности почвы и автоматическими системами полива. Web-камера может быть настроена на обнаружение вредителей растений, таких как жуки или гусеницы, а также для выявления заболеваний, которые могут проявляться, например, в пожелтении и увядании листьев. С помощью web-камеры можно визуально определить, насколько созрел урожай и приблизительно рассчитать время его сбора. На крупных сельскохозяйственных предприятиях и фермах web-камеры с функцией распознавания лиц могут служить для идентификации работников и посетителей которые находятся внутри теплицы [3]. Умные теплицы могут применяться не только на сельскохозяйственных предприятиях, но еще и в домашнем садоводстве. В таком случае умная теплица будет иметь намного меньший размер и более простое строение. Она может быть установлена в любой комнате, где имеется достаточно места. Так, появляется возможность выращивать свежие фрукты и овощи даже тем людям, которые живут в квартире и у которых нет дачи (рис. 4). Рисунок 4 – Умная теплица в комнате Умные теплицы можно установить в ботанических садах или оранжереях для сохранения численности уже имеющихся и разведения новых редких экзотических растений. Большое количество датчиков сможет обеспечить им особый микроклимат, в котором они смогут полноценно развиваться и цвести. Также, они могут быть установлены в лабораторных аудиториях в школах и в высших учебных заведениях для проведения различных экспериментов, выполнения научно-исследовательских работ, изучения и наблюдения за процессами роста растений. Умные теплицы могут быть использованы даже в городах, где из-за различных застроек очень ограничено свободное пространство. Овощи, фрукты и зелень могут быть выращены на крышах зданий или в вертикальных фермах. Основное преимущество вертикальных ферм заключается в том, что для выращивания урожая используется несколько слоёв, и таким образом на квадратный метр урожая можно получить приблизительно в 5-10 раз больше, по сравнению с теплицей. Рисунок 5 – Вертикальная ферма Таким образом получается, что умная теплица - это инновационная технология, позволяющая решить современные сельскохозяйственные проблемы, а также глобальную проблему продовольственной безопасности. С экологической точки зрения, они могут обеспечивать устойчивое развитие путём оптимизации использования ресурсов.